Vrste i svojstva materijala u aditivnoj proizvodnji

Materijali za aditivnu proizvodnju dijele se prvo prema agregacijskom stanju u kojem ulaze u stroj. Ta podjela nije akademska: oblik sirovine određuje kojim se postupkom uopće može raditi, kako se materijal skladišti, koliko stoji i što se s ostatkom događa nakon izradbe.

Druga podjela ide prema vrsti materijala: polimeri, metali, keramika, kompoziti i posebne skupine poput biomaterijala i građevinskih smjesa. Polimeri su najrašireniji jer su jeftini i lako se obrađuju; metali nose opterećenje i temperaturu; keramika podnosi vrlo visoke temperature i trošenje, ali je krhka i traži pečenje.

Treća je podjela prema namjeni dijela: materijali za izgledne modele, za funkcionalne dijelove, za alate i kalupe te za medicinsku primjenu. Isti materijal može pripadati dvjema skupinama, pa ova podjela više govori o zahtjevima nego o samome materijalu.

Kad se u ponudi nađe deset materijala, odluka se donosi na temelju nekoliko brojeva. Vrijedi znati što koji od njih doista znači — jer se neki od njih u promidžbenim materijalima navode tako da zvuče bolje nego što jesu.

Termoplastična žica najrašireniji je materijal u aditivnoj proizvodnji, pa se na njemu i najlakše uči odnos svojstava. Ovo je devet materijala s kojima se u praksi radi, od najjednostavnijih prema zahtjevnima.

Odaberi materijal: prikazuju se opis, brojčana svojstva, trake za usporedbu i savjet za rad.

Iz usporedbe se vidi obrazac koji vrijedi mnogo šire od ovih devet materijala: svojstva se kupuju zahtjevnošću ispisa. PLA je najlakši za ispis i najmanje izdržljiv; PC i najlon podnose mnogo, ali traže zatvorenu komoru, suh materijal i strpljenje. Materijal koji je u svemu najbolji ne postoji, a onaj koji se reklamira kao takav obično je skup i osrednji.

Kompoziti s vlaknima

Dodavanjem sjeckanih ugljikovih ili staklenih vlakana u osnovni polimer dobiva se materijal veće krutosti i manjega skupljanja. Dio se manje krivi i bolje drži mjeru, što je osobito korisno za naprave. Cijena je, međutim, dvojaka: vlakna smanjuju žilavost, pa dio postaje krhkiji, a zbog abrazivnosti traže kaljenu mlaznicu — obična mjedena istroši se za nekoliko stotina grama.

Materijali za posebne namjene

• Topivi materijali za potpore — otapaju se u vodi ili lužini i omogućuju potpore ondje odakle se drukčije ne bi mogle ukloniti. Traže stroj s dvjema glavama.
• Elastomeri — mjere se tvrdoćom po Shoreu, a ne čvrstoćom. Ispisuju se sporo i traže izravan pogon žice.
• Materijali za dodir s hranom — sam polimer nije dovoljan: presudni su postupak, čistoća mlaznice i slojevita ploha u kojoj se zadržavaju bakterije. Za trajan dodir dio se lakira ili se bira drugi postupak.
• Materijali otporni na visoke temperature — PEEK, PEI i slični; traže komoru na preko sto stupnjeva i stroj posebne izvedbe.

Fotopolimerne smole

Smole se razlikuju prema namjeni: standardne za modele, žilave za funkcionalne dijelove, krute s punilom za kalupe, izgorive za lijevanje nakita i medicinske za vodilice. Zajedničko im je da su svježe otrovne i nadražujuće, da se dio nakon ispisa mora oprati i naknadno osvijetliti, te da s vremenom postaju krhkiji — osobito na sunčevu svjetlu. Rok uporabe smole obično je oko godinu dana, a čuva se u tami i na sobnoj temperaturi.

Polimerni prah

Najčešći je poliamid PA12, sam ili s punilom od stakla, ugljika ili aluminija. Dijelovi su gotovo izotropni, žilavi i postojani, a površina je mat i blago hrapava. Prah se ne troši u cijelosti: neizgrađeni se prosijava i miješa s novim, u omjeru koji propisuje proizvođač, jer višekratno grijanje mijenja svojstva. Zato se vodi evidencija o udjelu osvježenoga praha.

Metalni prah

Najviše se koriste titanova slitina Ti6Al4V, aluminijeva AlSi10Mg, nehrđajući čelik 316L, alatni čelik 1.2709 i slitine nikla. Prah mora biti kuglasta zrna i uske raspodjele veličina, jer o tome ovisi kako se sloj razgrne i koliko je gust. Rukovanje traži zaštitu: fini metalni prah zapaljiv je, a udisanje štetno. Dijelovi se nakon izradbe toplinski obrađuju i odvajaju od ploče, a za odgovornu primjenu i ispituju.

Keramika, pijesak i građevinske smjese

Keramički prah povezuje se vezivom i zatim peče, pri čemu se dio steže i to se predviđa u modelu. Pješčani kalupi i jezgre za lijevanje izrađuju se mlaznim nanošenjem veziva i najzrelija su primjena te kategorije. Građevinske smjese istiskuju se poput vrlo guste paste, a ograničenje je vrijeme vezivanja: sloj mora biti dovoljno čvrst da podnese sljedeći, ali ne toliko da se s njim ne poveže.

Odabir počinje zahtjevom, ne katalogom. Pitanja su uvijek ista: gdje dio stoji, što nosi, koliko se grije, čega se dotiče i koliko smije stajati. Tek kad su odgovori poznati, popis se sam sužava na dva ili tri materijala — a među njima se odlučuje prema tome što je već u pogonu i što se lakše ispisuje.

Uključi zahtjeve koje dio mora ispuniti; popis se osvježava i pokazuje tri najprimjerenija materijala s obrazloženjem.

Materijali sličnih svojstava — što ih razdvaja

U praksi se najčešće bira između dvaju materijala koji na papiru izgledaju jednako. Razdvaja ih obično jedno jedino svojstvo.

• PLA ili PETG — oba se lako ispisuju. PLA je krući i točniji, PETG podnosi višu temperaturu i vlagu te se ne lomi tako lako. Za dio koji stoji u automobilu ili vani PLA otpada.
• ABS ili ASA — gotovo jednaka mehanička svojstva i jednak način ispisa. ASA je postojana na sunčevu svjetlu, ABS nije; za vanjsku primjenu odluka je time gotova.
• PETG ili najlon — najlon je žilaviji i otporniji na trošenje, ali upija vlagu i mora se sušiti. Ako u pogonu nema sušionika, PETG je razumniji izbor.
• PLA ili PLA s ugljikovim vlaknima — kompozit je krući, bolje drži mjeru i lijepo izgleda, ali je krhkiji i troši mlaznicu. Za naprave da, za dijelove izložene udarcu ne.
• Smola ili polimerni prah — smola daje bolji detalj, prah daje žilaviji i postojaniji dio. Model za pregled ide u smolu, dio koji se ugrađuje u prah.

Materijal se kvari i dok stoji. Najveći je krivac vlaga, a odmah za njom svjetlo i temperatura. Nepravilno čuvan materijal daje loš ispis i onda kad je stroj besprijekorno namješten — i to je jedan od najčešćih uzroka neuspjeha koji se pripisuje stroju.

Vlaga

Polimeri upijaju vodu iz zraka, jedni više, drugi manje. Pri ispisu se ta voda naglo pretvara u paru, pa materijal u mlaznici pucketa, trag postaje mjehurast, ploha hrapava, a spoj među slojevima slab. Kod najlona se razlika vidi već nakon jednoga dana na otvorenome; kod PLA je proces sporiji, ali ga ima.

Svjetlo i temperatura

Ultraljubičasto svjetlo razgrađuje polimere: ABS žuti i postaje krhak, PLA gubi čvrstoću, a dijelovi od smole s vremenom pucaju. ASA je među rijetkima koja to podnosi. Sirovina se zato čuva u tami, a gotovi dijelovi za vanjsku upotrebu bira se svjesno ili lakira.

Temperatura skladištenja ne bi smjela prelaziti sobnu. Kolut ostavljen u automobilu ljeti može se slijepiti, a smola na toplome brže stari. Nagle promjene temperature uz to izazivaju kondenzaciju, pa materijal pokupi vlagu i kad je zapakiran.

Pravila skladištenja

• Materijal se čuva u zatvorenoj vrećici ili kutiji sa sredstvom za sušenje, a ne na stroju.
• Sredstvo za sušenje se obnavlja — zasićeno više ne radi ništa i samo daje lažan osjećaj sigurnosti.
• Otvoreni kolut označi se datumom otvaranja; najlon i PC drže se u suhoj kutiji i tijekom ispisa.
• Prah se čuva u zatvorenoj posudi, prosijava prije upotrebe i miješa s novim u propisanome omjeru.
• Smola stoji u tami, u izvornoj boci, a ostatak se ne vraća iz kade u bocu bez cijeđenja.
• Metalni prah čuva se u propisanoj posudi, uz zaštitu od iskre i uz opremu za rad s finim prahom.
• Vodi se evidencija serija; kod odgovornih dijelova serija materijala dio je zapisa o izradbi.

Odgovor se zaključava nakon prvoga klika, uz objašnjenje zašto je točan.